LCD는 언제부터 연구됐을까요?
컴퓨터 모니터, TV, 휴대폰 등의 IT제품에서 화면으로 쓰이고 있는 LCD(Liquid Crystal Display : 액정표시장치)의 주원료인 액정이 발견된 것은 1888년, 그러니까 19세기의 일입니다. 액정을 활용해 디스플레이 장치인 LCD를 만든 것인 20세기 초의 일이고요.
LCD 개발 초기에는 '브라운관'이라고 불리는 CRT(Cathod Ray Tuve : 음극선관)과 비교해 색 재현력과 화질 등이 턱없이 낮은 수준이었습니다.
LCD는 1970년대 들어서면서 실질적으로 전자계산기나 시계 등에 가장 먼저 사용되기 시작했는데요. 1960년대에 실온에서 유전율 이방성을 갖는 네마틱 액정을 합성해 만든 DSM(Dynamic Scattering Mode)-LCD의 등장이 그 시발점이 되었습니다.
1971년에는 DSM-LCD보다 성능을 개량한 TN(Twisted Nematic)-LCD가 스위스의 Schadt와 Helfrich에 의해 개발되었는데요~ 그러나 시야각이 좁고, 응답속도가 느리며, Constrast 성능이 좋지 않다는 등의 단점을 갖고 있었습니다. 특히 대화면에는 부적합하다는 약점을 가지고 있었습니다.
TN-LCD가 개발된 이듬해인 1972년 P.Brody가 능동행렬 LCD(Active Matrix LCD, AMLCD)를 제안했습니다.
AMLCD는 TN-LCD보다 우수한 화질 때문에 TV 수신기, 프로젝션 TV에서부터 비디오 카메라 모니터까지 다양한 크기의 제품에 화면으로 쓰이기 시작했습니다.
1979년에는 LeComber 등이 비정질 실리콘(a-Si)을 이용한 TFT-LCD(Thin Film Transistor-LCD)를 연구하기 시작했으며, 1982년에는 다결정 실리콘(poly-Si) TFT를 이용한 poket TV가 최초로 상업화되면서 TFT-LCD는 급속히 발전하게 되었습니다.
1990년대 들어와서는 TFT-LCD가 노트북, TV, 휴대폰 등에 사용되는 대표적인 평판 디스플레이로 자리잡게 되었는데, 현재는 a-Si TFT가 주를 이루고 있구요~ poly-Si TFT도 꾸준히 성장하고 있습니다.
LCD는 어떤 제품에 사용되나요?
1970년대 전자 계산기에 응용된 이후로 노트북, 카메라, 휴대폰, PMP, MP3, 모니터, TV 등에 다양하게 사용되고 있습니다.
LCD 기본 원리
LCD는 정보를 표현하기 위해 외부의 빛(광원)을 필요로 하는 수광형 디스플레이입니다.
액체와 고체의 중간적인 특성을 갖는 액정의 전기·광학적 성질 즉, 액정의 분자배열이 외부에서 들어오는 전압의 크기에 따라 변화되는 성질을 이용한 디스플레이입니다.
수광형이므로 패널 뒷면에 백색광을 비추는 Back light를 붙여야 합니다. 또한 색을 표현하기 위해 Color Filter와 편광판이라는 것도 필요합니다.
자~그럼, LCD가 어떻게 색과 빛을 구현하는지 간단히 살펴보겠습니다.
두장의 유리판 사이에 들어있는 액정은 LCD에 가해지는 전압에 따라 액정분자 의 방향(배열)이 바뀌게 되고 그에 따라 빛이 투과되는 양이 바뀌게 됩니다.
(1) Back light에서 나온 빛은 편광판을 통과하면서 한쪽 방향으로만 진동하는 빛으로 바뀌게 되고,
(2) 다시 액정을 지나면서 빛의 진동방향이 또 한번 바뀌게 됩니다.
(3) 이때 편광판과 액정의 방향이 같다면 많은 양의 빛이 통과되지만, 반대로 액정의 방향과 편광판의 방향이 직각이 되면 빛은 통과되지 못합니다.
(4) 이렇게 액정층을 지난 빛은 Color Filter를 지나면서 빛의 3원색인 Red, Green, Blue로 나뉘게 되며, 그 색과 세기가 다른 각 화소의 빛들이 모이면서 하나의 화상정보가 만들어집니다.
[액정의 구동 원리]
현재는 AMLCD가 가장 널리 사용되고 있는데요, AMLCD에 입력되는 신호는 크게 두가지가 있습니다.
(1) 각 화소마다 TFT를 On/Off 시키는 신호와
(2) TFT를 거쳐 화소전극으로 들어가는 영상(video)신호가 있습니다. (액정은 영상 신호에 따라 움직입니다.)
먼저 TFT를 On 시키는 신호가 입력되면 Switch 역할을 하는 TFT가 열리면서 영상신호가 화소전극으로 입력됩니다. 영상신호의 입력이 끝나면 TFT에는 Off 신호가 입력되고 화소는 다음 신호가 올 때까지 영상 신호를 유지하면서 액정 배열을 변경하게 됩니다. 다음 영상을 표시할때까지 이전 입력된 영상와 변경된 액정의 배열은 유지
됩니다. 이런 동작을 반복하면서 수십만~수백만개의 화소에 각기 다른 영상 정보가 표현되는 것입니다.
LCD 기본 구조
LCD의 구조는 크게 LCD Panel, 빛을 만들어 내는 Back light 그리고 구동에 필요한 회로부로 나눌 수 있습니다.
LCD Panel은 TFT 기판(하판), Color Filer 기판(상판)과 상하기판에 부착된 평관판으로 구성되어 있는데요~
하판에는 TFT와 투명전극(ITO)이, 상판에는 Color Filer와 투명전극(ITO)이 각각 만들어지며 이렇게 만들어진 두 장의 기판 사이에 액정을 채운 후 상하판에 편광판을 붙이면 LCD Panel 이 완성됩니다.
그리고 LCD Panel의 뒷면에는 광원으로 Back light가 들어가게 됩니다. Back light는 과거 형광등이 주로 사용되었지만 최근에는 LED를 사용하는 비율이 늘어나고 있습니다.
High Quality를 위한 LCD 특성
(1) 시야각
시야각이란 화면의 왜곡없이 정상적으로 보이는 범위의 각도를 말합니다. 액정 배열로 인해 보는 방향(각도)에 따라 색조나 Contrast 등의 화질이 다르게 보입니다.현재는 액정의 재료나 방식이 개발되어 시야각은 브라운관에 필적할 정도의 180˚에 가까운 것들도 있습니다.
(2) 휘도
표시화면의 밝기를 나타내는 휘도는 LCD의 투과율, Backlight의 휘도 등에 의존하고 있으며, 투과율은 사용하는 액정재료나 표시방식에 따라 다르지만 보다 효율적으로 휘도를 높이는 기술이 개발되고 있습니다.
또한 Backlight는 낮은 소비전력, 소형화에 대한 요구가 커지면서 LED를 사용한 Backlight, 슬림형 Backligt들이 개발에 이어 최근에는 야외 시인성과 배터리 수명을 동시에 개선하는 기술도 연구되고 있습니다.
(3) 응답속도
입력신호에 대해 새로운 표시화면으로 바뀌는 속도를 응답속도라 합니다. LCD에서는 액정 분자의 동작반응속도(액정 분자가 배열을 바꾸는데 걸리는 시간)에 의해 응답속도가 결정되며, 응답특성이 나빠지면 잔상이 남아 동화상 표시에 불리하기 때문에 시야각과 함께 중요한 과제로 남아있습니다. 현재 응답속도 개선을 위해 액정 구조와 재료 개선 등이 연구되고 있습니다.
(4) 기타 (Contrast, 해상도)
최근 Mobile 제품에 LCD 탑재가 늘어나면서 야외 시인성을 높이는 기술이 요구되고 있으며, Mobile Internet 환경을 구현하는 고해상도 제품의 수요도 지속적으로 증가하는 추세입니다.
